光導波路型センサチップおよび光導波路型センサ
【課題】光学設計を簡素化し、光損失を抑えることができる光導波路型センサチップを得ること。
【解決手段】光導波路層と、前記光導波路層へ光を入射させ、前記光導波路層外に前記光を出射させるよう、前記光導波路層の界面のうち一方の面の両端に配置された１対の光学素子と、前記光導波路層上の所定の領域に形成された機能膜と、前記光導波路層の前記光の入射面上の、少なくとも前記光学素子が配置された平面領域を含む平面領域に形成された被覆層と、入射側の前記光学素子に入射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第１の貫通孔と、出射側の前記光学素子から出射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第２の貫通孔と、を備える。
【解決手段】光導波路層と、前記光導波路層へ光を入射させ、前記光導波路層外に前記光を出射させるよう、前記光導波路層の界面のうち一方の面の両端に配置された１対の光学素子と、前記光導波路層上の所定の領域に形成された機能膜と、前記光導波路層の前記光の入射面上の、少なくとも前記光学素子が配置された平面領域を含む平面領域に形成された被覆層と、入射側の前記光学素子に入射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第１の貫通孔と、出射側の前記光学素子から出射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第２の貫通孔と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、光導波路型センサチップおよび光導波路型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
試料溶液中に含まれる物質の濃度を測定する方法として、光導波現象を利用した方法が知られている。その一例として、レーザ光を、入射側グレーティングを通じて光導波路層に入射することによりエバネッセント波を発生させ、試料溶液中に含まれる物質と光導波路層上に形成された機能膜に含まれる分子との反応に起因するエバネッセント波の変化量を、出射側グレーティングから放出される光を検出することにより、試料溶液中に含まれる物質の濃度を測定する方法が挙げられる。
【０００３】
このような光導波現象を利用して試料溶液中に含まれる物質の濃度を測定する装置は、光導波路型センサと呼ばれている。光導波路型センサは、例えば、ガラスまたは石英からなる透明な基板と、その基板の主面のその基板内にレーザ光を入出射するための一対のグレーティングと、グレーティングを含む基板の主面の基板より高屈折率の高分子樹脂からなる光導波路層と、光導波路層上に形成された機能膜と、で構成される。このような光導波路型センサでは、基板側から基板を介して光導波路へレーザ光を入射させる。したがって、基板はレーザ光を透過する透明な基板であることが要求され、基板として用いる材料に制約があった。また、基板を通して光導波路へレーザ光が入射されるため、複数の材料の屈折率を考慮した光学設計を行う必要があり、基板を透過することにより光損失が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２０８３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の光導波路型センサでは、透明な基板を通して光導波路へレーザ光が入射されるため、複数の材料の屈折率を考慮した光学設計を行う必要があり光学設計が複雑となり、基板を透過することによる光損失が生じる、という問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明の一態様によれば、光導波路層と、前記光導波路層へ光を入射させ、前記光導波路層外に前記光を出射させるよう、前記光導波路層の界面のうち一方の面の両端に配置された１対の光学素子と、前記光導波路層上の所定の領域に形成された機能膜と、前記光導波路層の前記光の入射面上の、少なくとも前記光学素子が配置された平面領域を含む平面領域に形成された被覆層と、を備える光導波路型センサチップが提供される。この光導波路型センサチップは、入射側の前記光学素子に入射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第１の貫通孔と、出射側の前記光学素子から出射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第２の貫通孔と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１の実施の形態にかかる光導波路型センサの構成例を示す図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態の光導波路型センサチップの上面および断面の概略を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。
【図４】図４は、第２の実施の形態にかかる光導波路型センサの構成例を示す図である。
【図５】図５は、第２の実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。
【図６】図６は、第３の実施の形態にかかる光導波路型センサの構成例を示す図である。
【図７】図７は、第３の実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。
【図８】図８は、第４の実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。
【図９】図９は、第４の実施の形態の光導波路型センサチップの別の製造方法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態にかかる光導波路型センサの構成例を示す図である。本実施の形態の光導波路型センサは、光導波路型センサチップと、光源７と、受光素子８と、を備える。また、光導波路型センサチップは、光導波路層１と、反射膜２と、基板３と、機能膜４と、グレーティング５ａ，５ｂと、保護層（表面保護層）６と、を備える。
【０００９】
光源７は、光導波路型センサチップに対して、保護層６側から光導波路層１へ光を入射する。また、受光素子８は、光導波路型センサチップの保護層６側から射出された光を検出する。光源７としては、例えばレーザーダイオード等を用いることができるが、これに限らず単色光を射出できればどのような光源を用いてもよい。受光素子８としては、例えばフォトダイオードを用いることができるが、これに限らずどのような素子を用いてもよい。
【００１０】
図２は、本実施の形態の光導波路型センサチップの上面および断面の概略を示す図である。図２に示すように、反射膜２は、基板３と光導波路層１との間に形成されている。また、グレーティング５ａは、反射膜２上（基板３に接する面と反対側）の一方の端部（光導波路層１の長手方向の端部）の、光源７からの光が入射される領域を含む領域に形成され、グレーティング５ｂは、反射膜２上の他方の端部の、光導波路層１から光が射出される領域を含む領域に形成されている。グレーティング５ａ，５ｂは、光導波路層１に光を入射させ、光導波路層１から光を射出させるための光学素子であり、グレーティング５ａ，５ｂの代わりにプリズム等の光学素子を用いてもよい。
【００１１】
機能膜４は、光導波路層１上の所定の領域に形成されている。保護層６は、機能膜４が形成されている領域以外の光導波路層１上の領域に形成され、貫通孔９および貫通孔１０を有している。
【００１２】
基板３は、機能膜４が形成されていない面（裏面）で光導波路層１に接し、裏面から光導波路層１を機械的な損傷等から保護する裏面保護層として機能する。
【００１３】
貫通孔９は、光源７から入射される光が保護層６で遮られることなく光導波路層１へ入射するように形成されている。また、貫通孔９の平面位置（光導波路型センサチップの厚さ方向に垂直な面内の位置）が、入射側のグレーティング５ａが形成される平面位置内となるよう形成されている。貫通孔１０は、光導波路層１から受光素子８へ出射する光が保護層６で遮られることないように形成されている。また、貫通孔１０の平面位置は、出射側のグレーティング５ｂが形成される平面位置内となるよう形成されている。
【００１４】
また、図２では、構成を模式的に示した図であり、各構成要素の大きさ等を示していない。ここでは、一例として、光導波路型センサチップのサイズとして、長手方向が１６ｍｍ程度、短手方向が６．５ｍｍ程度を想定している。また、基板３の厚さは、７００μｍ程度、光導波路層１の厚さは３０μｍ程度、保護層６の厚さは３μｍ程度を想定している。また、機能膜４のサイズは、光導波路型センサチップの長手方向が７ｍｍ程度、光導波路型センサチップの短手方向が４ｍｍ程度を想定している。グレーティング５ａ，５ｂの各領域の大きさは、光導波路型センサチップの長手方向が２〜３ｍｍ、光導波路型センサチップの短手方向が４．５ｍｍ程度を想定している。なお、これらのサイズは一例であり、各構成要素のサイズに制約はない。
【００１５】
貫通孔９，１０の大きさは、光源７から入射する光束の大きさに依存するが、例えば、直径１〜５ｍｍ程度とする。なお、図２では、貫通孔９，１０の形状を円柱状としたが、これに限らず、四角柱やテーパー状などのほかの形状であってもよい。
【００１６】
本実施の形態の光導波路型センサでは、光源７から射出される光を、貫通孔９および入射側のグレーティング５ａを通じて光導波路層１に入射することによりエバネッセント波を発生させる。そして、機能膜４上に導入された試料溶液等と、光導波路層１上に形成された機能膜４に含まれる分子等との反応に起因するエバネッセント波の変化量を、出射側のグレーティング５ｂおよび貫通孔１０を経由して放出される光を受光素子８により検出する。受光素子８が検出する光の変化量は、試料溶液等に含まれる検出対象の物質（機能膜４に含まれる分子等との反応する物質）の濃度に依存するため、受光素子８が検出する光の変化量を求めることにより試料溶液等に含まれる検出対象の物質の濃度を検出することができる。
【００１７】
従来の光導波路型センサでは、例えば、基板上に光導波路層を形成し、基板側から光導波路層へ光を入射し、光導波路層から基板側に射出された光を検出する。したがって、基板は光導波路層へ入射される光を透過する材質である必要があった。また、この場合、空気と基板界面と、基板と光導波路層界面と、の二つの界面現象が生じる、という問題もある。また、基板に透明な材質を使い、これらを経由して光導波路層へ光を入射させる場合、複数の材料屈折率を考慮した光学設計を行う必要があり、光学設計が複雑になるという問題がある。さらに、基板を通過することにより、光損失が生じるという問題もある。
【００１８】
また、光導波路層上に形成された保護層側から光を入射させることも考えられるが、この場合も、透明な基板を用いる場合と同様に、複数の材料屈折率を考慮した光学設計を行う必要があり、光学設計が複雑になるという問題がある。また、基板を通過することにより、光損失が生じるという問題もある。
【００１９】
これに対し、本実施の形態の光導波路型センサは、保護層６に形成された貫通孔９を経由して光導波路層１へ光源７からの光を入射させ、貫通孔１０を経由して光導波路層１から光を射出しているので、基板３または保護層６に、透明な材質を用いる必要がない。例えば基板３としてシリコン基板を用いれば、半導体チップの製造技術を光導波路型センサチップの製造に適用することができる。また、光源７から光導波路層１へ直接光を入射させることができるため、複数の材料屈折率を考慮した光学設計を行う必要がなく、また光損失が生じない。
【００２０】
さらに、本実施の形態の光導波路型センサは、反射膜２を備えているため、基板３に対する光学的な制約がなくなり、基板３の材質の選択肢をさらに広げることができる。なお、本実施の形態では、反射膜２を備えるようにしたが、基板３を金属等の材質として表面とを鏡面加工することにより、反射膜２を備えないようにしてもよい。この場合、基板３の材質の選択肢は反射膜２を備える場合に比べ低減するが、貫通孔９を経由して光導波路層１へ光源７からの光を入射させ、貫通孔１０を経由して光を射出することにより、複数の材料屈折率を考慮した光学設計を行う必要がなく、また光損失が生じないという効果を得ることができる。
【００２１】
光導波路層１としては、光導波路として通常用いられるどのような材質を用いてもよいが、例えば、ガラスや有機膜等を用いることができる。
【００２２】
反射膜２としては、鏡面反射率の高い材質であればどのような材質を用いてもよいが、例えば、鏡面加工されたアルミや銀の金属薄膜や樹脂反射膜を用いることができる。
【００２３】
保護層６としては、光導波路層１より屈折率が低く、かつ試料溶液等と反応しない材料が用いられる。保護層６は、機能膜４が形成されている領域以外で光導波路層１と試料溶液が接触することを防ぐとともに、光導波路型センサチップの製造過程で機能膜４が所定の領域以外に形成されることを防ぐ。保護層６は、どのような方法で形成してもよいが、例えば基板３上に光導波路層１を形成した後に、光導波路層１上の、機能膜４および貫通孔９，１０が形成される領域を除いた部分にパターン転写可能な印刷法やインプリント法等を用いて形成する方法が適している。保護層６の材質としては、撥水性の高い材質を用いることが望ましく、例えばフッ素樹脂等を用いることができる。
【００２４】
基板３としては、反射膜２を用いる場合、透明度等の光学的性能に対する要求が無いため、どのような材質を用いてもよい。例えばシリコン基板を用いると半導体チップの製造工程を適用することができるという利点がある。耐熱性を要求される場合には、ガラスを用いることもできるが、本実施の形態では、透明度が要求されないため、透明度の低い（グレードの低い）ガラス等を用いることができる。また、プラスチック等を用いてもよい。
【００２５】
グレーティング５ａ，５ｂとしては、光導波路層１より屈折率が高い材質であればどのような材質を用いてもよいが、例えば二酸化チタンを用いることができる。
【００２６】
機能膜４は、膜形成高分子化合物等で膜体が構成され、この膜体内に本実施の形態の光導波路型センサの検出対象の物質と反応する酵素や色素などが保持される。例えば、検出対象をグルコースとする場合には、機能膜４は、グルコースの酸化酵素または還元酵素と、この酵素により生成物と反応して発色剤を発色させる物質を発生する試薬と、発色剤と、膜形成高分子化合物と、で構成される。また、必要に応じて透水性促進剤を備える。グルコースの酸化酵素として、例えばグルコースオキシターゼを用いる場合には、発色剤を発色させる物質を発生する試薬としてペルオキシターゼを用い、発色剤として３，３´，５，５´−テトラメチルベンジジン等を用いることができる。また、膜形成高分子化合物としては、例えばセルロース系高分子化合物を用いることができる。
【００２７】
つぎに、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法について説明する。なお、以下に説明する製造方法は、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例であり、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法はこれに限定されない。
【００２８】
図３は、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。ここでは、一例として、基板３がシリコン基板であり、光導波路層１と保護層６が有機薄膜であり、反射膜２が金属薄膜である場合について説明する。
【００２９】
まず、図３（ａ）に示すように基板３を準備し、図３（ｂ）に示すように基板３の片面に金属薄膜である反射膜２を形成する。金属薄膜形成方法としては、めっきやスパッタ、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などが挙げられる。そして、形成した金属薄膜を研磨し鏡面とすることで反射膜２とする。
【００３０】
つぎに、図３（ｃ）に示すように、反射膜２上に、グレーティング材料の薄膜５をスパッタやＣＶＤ法等により形成した後、図３（ｄ）に示すようにレジストパターンにあわせて薄膜５をエッチングしパターンを形成することにより、入射側と射出側の２箇所にグレーティング５ａ，５ｂをそれぞれ形成する。薄膜５のエッチングはどのような方法で行なってもよいが、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用いることができる。
【００３１】
つぎに、図３（ｅ）に示すように、反射膜２およびグレーティング５ａ，５ｂ上に、光導波路層１を形成する。例えば、液状の光導波路層１の材料をスピンコートにより塗布し硬化させて形成できる。光導波路層１の材料は保護層６の屈折率よりも高い屈折率を有する材料であればよく、熱可塑性樹脂でもよく、硬化性樹脂でもよい。
【００３２】
そして、図３（ｆ）に示すように、光導波路層１に保護層６を形成する。この際、保護層６は、機能膜４が形成される所定の領域と、貫通孔９，１０と、を除いた領域に、印刷法やインプリント法等により形成する。
【００３３】
そして、図３（ｇ）に示すように、所定の領域（光導波路層１の保護層６が形成されていない領域のうち、貫通孔９，１０を除いた領域）に、機能膜４を形成する。機能膜４の形成方法としては、酵素や色素などの試薬を含ませた膜形成高分子化合物を溶媒に拡散させ、開口部にディスペンスした後に溶媒を揮発させる方法などがその方法として挙げられる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、光源７および受光素子８をそれぞれ１つとした例について説明したが、光源７および受光素子８が、２つ以上の場合には、それぞれの入射する光束を通過させるための貫通孔、それぞれの出射する光束を通過させるための貫通孔、を設けるようにすればよい。例えば、光源７が２つの場合、２つの入射位置が近い場合には、１つの貫通孔で入射する２つの光束を通過させるようにしてもよいし、光束ごとに貫通孔を設けてもよい。出射側も同様である。
【００３５】
なお、ここでは、光導波路層１の材料に有機材料を用いた場合について説明したが、光導波路層１にシリコン酸化物等を用いてもよい。光導波路層１にシリコン酸化物を用いる場合は、反射膜２上にシリコン酸化膜を形成すればよい。
【００３６】
また、本実施の形態では、保護層６を１層としたが、保護層６が多層で構成されていてもよく、その場合にはそれらの多層の全てを貫通するように貫通孔９，１０を設ける。また、保護層６以外の構成層が保護層６の上部または下部（光導波路層１との間）に形成されていてもよい。その場合、光導波路型センサチップの上部（光の入射側）の表面から光導波路層１の表面に達するまでの全層を１つの被覆層と考え、被覆層を貫通する貫通孔９，１０を設けることにより、光導波路層１に入射する光を通過させるようにすればよい。言い換えると、光導波路層１へ光が入射する面（光が出射する面）と光導波路型センサチップの表面（光の入射側の表面）との間に、少なくともグレーティング５ａ，５ｂが形成される平面領域を含む領域に形成された被覆層が存在する場合に、光導波路層１（グレーティング５ａ）へ入射する光または光導波路層１から出射する光を通過させるよう、被覆層に貫通孔９，１０を設ければよい。
【００３７】
このように、本実施の形態では、保護層６に貫通孔９，１０を設け、貫通孔９を経由して光導波路層１に光源７からの光を入射させ、貫通孔１０を経由して光導波路層１から出射する光を受光素子８に入射させるようにした。そのため、基板３の材料に広い選択肢を与えることができる。また、複数の材料屈折率を考慮した光学設計を行う必要がなく、また光損失が生じない。また、基板３にシリコン基板を用いると、多くの工程で半導体製造プロセスを利用することができるため、高い精度と生産性で光導波路型センサチップを製造することができる。また、反射膜２を備えると、さらに基板３の材料に広い選択肢を与えることができる。さらに、基板３の材料によっては、基板３が遮光膜として機能する。
【００３８】
（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態にかかる光導波路型センサの構成例を示す図である。本実施の形態の光導波路型センサは、光導波路型センサチップと、光源７と、受光素子８と、を備える。本実施の形態の光導波路型センサチップは、第１の実施の形態と同様に、光導波路層１と、反射膜２と、基板３と、機能膜４と、グレーティング５ａ，５ｂと、保護層６と、を備えるが、第１の実施の形態と異なり、保護層６には貫通孔９，１０が形成されておらず、基板３および反射膜２に貫通孔１１，１２が形成されている。また、本実施の形態では、光源７から入射される光は貫通孔１１を経由して光導波路層１に入射し、光導波路層１が出射する光は、貫通孔１２を経由して受光素子８へ入射する。第１の実施の形態と同様の機能を有する構成要素は、第１の実施の形態と同一の符号を付して重複する説明を省略する。以下、第１の実施の形態と異なる点を説明する。
【００３９】
第１の実施の形態では、保護層６に貫通孔９，１０を設けたが、本実施の形態では、基板３および反射膜２に貫通孔１１，１２を設ける。そして、光源７から入射される光は、基板３側から貫通孔１１を経由して光導波路層１に入射させ、光導波路層１が出射する光は、貫通孔１２を経由して基板３側から出射させる。したがって、機能膜４と貫通孔１１，１２が、同一面内になく光導波路型センサチップの反対面に配置されるため、機能膜４に試料を添加する際に、貫通孔１１，１２を経由して試料が侵入することによる、光導波路層１の汚染を防ぐことができる。
【００４０】
貫通孔１１は、光源７から入射される光が基板３および反射膜２で遮られることなく光導波路層１へ入射するように形成されている。また、貫通孔１１の平面位置（光導波路型センサチップの厚さ方向に垂直な面内の位置）が、入射側のグレーティング５ａが形成される平面位置内となるよう形成されている。貫通孔１２は、光導波路層１から受光素子８へ出射する光が基板３および反射膜２で遮られることのないように形成されている。また、貫通孔１２の平面位置は、出射側のグレーティング５ｂが形成される平面位置内となるよう形成されている。
【００４１】
貫通孔１１，１２の大きさは、光源７から入射する光束の大きさに依存するが、例えば、直径１〜２ｍｍ程度とする。なお、図２では、貫通孔９，１０の形状を円柱状としたが、これに限らず、四角柱やテーパー状などのほかの形状であってもよい。
【００４２】
本実施の形態の光導波路型センサの構成、機能および各構成要素の材質は、貫通孔の位置が異なること、および入射および出射する光の方向が異なること、以外は第１の実施の形態の光導波路型センサの構成および機能と同様である。ただし、貫通孔１１，１２を基板３に設けることから、基板３の厚さを第１の実施の形態より薄くすることが望ましい（例えば、１００〜３００μｍ程度）。
【００４３】
つぎに、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法について説明する。なお、以下に説明する製造方法は、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例であり、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法はこれに限定されない。
【００４４】
図５は、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。ここでは、一例として、基板３がシリコン基板であり、光導波路層１と保護層６が有機薄膜であり、反射膜２が金属薄膜である場合について説明する。
【００４５】
図５（ａ）〜図５（ｄ）（光導波路層１を形成するまで）の工程は、第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。光導波路層１の形成の後、図５（ｅ）に示すように、光導波路層１に保護層６を形成する。この際、保護層６は、機能膜４が形成される所定の領域を除いた領域に、印刷法やインプリント法等により形成する。
【００４６】
つぎに、図５（ｆ）に示すように、基板３および反射膜２に貫通孔１１，１２を形成する。貫通孔１１，１２の形成は、どのような方法で行ってもよいが、例えば、レジストでパターニングを行い、ウエットエッチングまたはＲＩＥを用いて行えば、精度よく加工することができる。
【００４７】
そして、図５（ｇ）に示すように、所定の領域に、機能膜４を形成する。機能膜４の形成方法としては、酵素や色素などの試薬を含ませた膜形成高分子化合物を溶媒に拡散させ、開口部にディスペンスした後に溶媒を揮発させる方法などがその方法として挙げられる。
【００４８】
なお、第１の実施の形態と同様に、基板３の材質を金属等とすることにより、反射膜２を備えないようにしてもよい。また、貫通孔１１，１２を、透明な材質の部材で埋めるようにしてもよい。
【００４９】
また、本実施の形態では、基板３および反射膜２を貫通する貫通孔１１，１２を設けるようにしたが、これは言い換えると、第１の実施の形態で述べた、光導波路層１へ光が入射する面（光が出射する面）と光導波路型センサチップの表面（光の入射側の表面）との間に、少なくともグレーティング５ａ，５ｂが形成される平面領域を含む領域に形成された被覆層が基板３および反射膜２である場合に相当する。
【００５０】
なお、第１の実施の形態および本実施の形態では、光導波路層１へ光が入射する面と
光導波路層１から光が出射する面が同一である場合について説明したが、入射面と出射面が異なっていてよい。その場合は、それぞれに対応する面側の被覆層に貫通孔をそれぞれ形成する。例えば、保護層６側から光が入射し、基板３側から光が出射する場合には、保護層６に第１の実施の形態と同様に貫通孔９を設け、基板３および反射膜２に貫通孔１２を設ければよい。
【００５１】
このように、本実施の形態では、基板３および反射膜２に貫通孔１１，１２を設け、貫通孔１１を経由して光導波路層１に光源７からの光を入射させ、貫通孔１２を経由して光導波路層１から出射する光を受光素子８に入射させるようにした。そのため、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、機能膜４への試料添加時の光導波路層１の汚染を防ぐことができる。
【００５２】
（第３の実施の形態）
図６は、第３の実施の形態にかかる光導波路型センサの構成例を示す図である。本実施の形態の光導波路型センサは、光導波路型センサチップと、光源７と、受光素子８と、を備える。本実施の形態の光導波路型センサチップは、光導波路層１と、基板１３と、機能膜４と、グレーティング５ａ，５ｂと、保護層６と、を備える。また、第１の実施の形態と同様の保護層６には貫通孔９，１０が形成されている。第１の実施の形態と同様の機能を有する構成要素は、第１の実施の形態と同一の符号を付して重複する説明を省略する。以下、第１の実施の形態と異なる点を説明する。
【００５３】
本実施の形態では、基板１３として、樹脂のようなフレキシブルな材料（例えば、メタクリル樹脂，シクロオレフィンポリマー樹脂等）を用いる。そして、光導波路層１および保護層６についても、樹脂のようなフレキシブルな材料（例えば、透明フッ素樹脂，シリコーン樹脂、アクリル樹脂等）を用いれば、高い曲げ耐性をもつチップを得ることができる。図６の構成例では、反射膜２を備えない構成を示しているが、反射膜２としてフレキシブルな材料（例えば、アルミニウム蒸着膜等）を用いて、光導波路層１と基板１３の間に反射膜２を備えるようにしてもよい。
【００５４】
図７は、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。ここでは、一例として、基板１３、光導波路層１、保護層６がそれぞれフレキシブルな樹脂材料で構成され、反射膜２を備えない場合について説明する。ここでは、一例として、支持基板上でチップを形成後、基板から剥離を行う方法を説明する。
【００５５】
まず、図７（ａ）に示すように、支持基板１４を用意する。支持基板１４の材料はどのようなものでもよいが、例えば、ガラス、シリコン基板等を用いることができる。
【００５６】
つぎに、図７（ｂ）に示すように、支持基板１４上に基板１３を形成する。例えば、液状の基板１３の材料をスピンコートにより塗布し硬化させて形成することができる。硬貨方法は、どのような方法を用いてもよいが、例えば、ＵＶ（Ultraviolet）照射、ホットプレートによるベーク等を用いることができる。つぎに、図７（ｃ）に示すように、基板１３上にグレーティング５ａ，５ｂを形成する。グレーティング５ａ，５ｂの形成方法は、第１の実施の形態と同様の方法を用いることができる。
【００５７】
そして、図７（ｄ）に示すように、基板１３およびグレーティング５ａ，５ｂ上に、光導波路層１を形成する。第１の実施の形態と同様に、例えば、液状の光導波路層１の材料をスピンコートにより塗布し硬化させて形成できる。
【００５８】
以降の保護層６および貫通孔９，１０の形成処理、機能膜４の形成処理は（図７（ｅ），図７（ｆ）は、第１の実施の形態の図３（ｅ），図３（ｆ）に示した処理と同様である。機能膜４の形成後、図７（ｇ）に示すように、基板１３を支持基板１４から剥離する。
【００５９】
このように、本実施の形態では、基板１３、光導波路層１、保護層６がそれぞれフレキシブルな材料を用いるようにした。そのため、第１の実施の形態と同様の効果が得られるとともに、高い曲げ耐性をもつチップを得ることができ、さらにガラス基板で見られるような光導波路層の材料と基板との密着不良発生を回避することができる。
【００６０】
（第４の実施の形態）
図８は、第４の実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。本実施の形態の光導波路型センサチップの構成は、第１の実施の形態の光導波路型センサチップの基板３の代わりに裏面保護層を備える以外は、第１の実施の形態の光導波路型センサチップと同様である。
【００６１】
本実施の形態では、光導波路層１としてガラス基板を用いることにより、第２の実施の形態の基板１３や第１の実施の形態の基板３を不要とする。その代わりに、光導波路層１の裏面には、光導波路層１として用いるガラス基板を汚染等から保護する裏面保護層を、例えばスピンコートや印刷法等により形成する。
【００６２】
第４の実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法を、図８を用いて説明する。まず、図８（ａ）に示すように、光導波路層１として機能するガラス基板を用意する。そして、図８（ｂ）に示すように、光導波路層１をエッチングしパターンを形成することにより、溝１５を形成する。溝１５は、後の工程でグレーティングの材料が埋め込まれることにより、グレーティング５ａ，５ｂを形成するため、グレーティング５ａ，５ｂの形状に基づいて溝１５を形成しておく。光導波路層１のエッチングはどのような方法で行なってもよいが、例えば、ウエットエッチング、ＲＩＥ等を用いることができる。
【００６３】
次に、図８（ｃ）に示すように、溝１５上を含めた光導波路層１上に、グレーティング材料の薄膜１６をスパッタ、めっき、ＣＶＤ法等により形成する。薄膜１６の材料は第１の実施の形態の薄膜５と同様である。
【００６４】
そして、図８（ｄ）に示すように、光導波路層１上の平坦部（溝１５上以外）に形成された薄膜１６を除去することにより、グレーティング５ａ，５ｂを形成する。このときの除去方法としては、どのような方法を用いてもよいが、例えば研磨を用いることができる。
【００６５】
次に、図８（ｅ）に示すように、光導波路層１の裏面（グレーティング５ａ，５ｂが形成された面と反対側の面）に裏面保護層１７を形成する。裏面保護層１７の形成方法は、どのような方法を用いてもよいが、例えば、スピンコートや印刷法などが挙げられる。また、裏面保護層１７の材質としては、どのような材質を用いてもよいが、例えば、フッ素樹脂等を用いることができる。
【００６６】
そして、図８（ｆ）に示すように、光導波路型センサチップを反転させ、第１の実施の形態の図３（ｅ）と同様に、光導波路層１上の機能膜４が形成される所定の領域と、貫通孔９，１０と、を除いた領域に、保護層６を形成した後、図８（ｇ）に示すように、第１の実施の形態の図３（ｆ）と同様に機能膜４を形成する。なお、ここでは、反射膜２を備えない場合を説明したが、裏面保護層１７の形成の前に反射膜２を形成してもよい。
【００６７】
このように光導波路層１としてガラス基板を用いた場合、光導波路層１の厚さは、第１の実施の形態等の場合に比べ厚くなる（例えば、１００μｍ程度となる）。光導波路層１もより薄くする場合には、薄化したガラス基板を支持基板に固定してから、上記の図８（ａ）〜図８（ｅ）を行い、支持基板から剥離した後に、図８（ｆ）以降の工程を行なうようにしてもよい。
【００６８】
図９は、第４の実施の形態の光導波路型センサチップの別の製造方法の一例を示す図である。図８では、光導波路層１上に溝１５を形成して、グレーティング５ａ，５ｂを形成する例を説明したが、図９に示すように、溝１５を形成せずにグレーティング５ａ，５ｂを形成してもよい。
【００６９】
まず、図９（ａ）に示すように、光導波路層１として機能するガラス基板を用意する。そして、図９（ｂ）に示すように、光導波路層１上に、グレーティング材料の薄膜１６をスパッタ、めっき、ＣＶＤ法等により形成する。その後、図９（ｃ）に示すように、薄膜１６をエッチングしパターンを形成することにより、入射側と射出側の２箇所にグレーティング５ａ，５ｂをそれぞれ形成する。薄膜１６のエッチングはどのような方法で行なってもよいが、例えば、ＲＩＥを用いることができる。
【００７０】
そして、図９（ｄ）に示すように、グレーティング５ａ，５ｂを上側から研磨した後、図９（ｅ）に示すように、光導波路層１上の機能膜４が形成される所定の領域と、貫通孔９，１０と、を除いた領域に、保護層６を形成する。
【００７１】
そして、図９（ｆ）に示すように、裏面側に裏面保護層１７を形成した後、図９（ｇ）に示すように、機能膜４を形成する。
【００７２】
このように、本実施の形態では、ガラス基板を光導波路層１として用いることにより、別途基板を備えない光導波路型センサチップにおいて、貫通孔９，１０を設けることにより、貫通孔９を経由して光導波路層１に光源７からの光を入射させ、貫通孔１０を経由して光導波路層１から出射する光を受光素子８に入射させるようにした。そのため、複数の材料屈折率を考慮した光学設計を行う必要がなく、また光損失が生じない。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７４】
１ 光導波路層、２ 反射膜、３，１３ 基板、４ 機能膜、５ａ，５ｂ グレーティング、６ 保護層、７ 光源、８ 受光素子、９，１０，１１，１２ 貫通孔。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、光導波路型センサチップおよび光導波路型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
試料溶液中に含まれる物質の濃度を測定する方法として、光導波現象を利用した方法が知られている。その一例として、レーザ光を、入射側グレーティングを通じて光導波路層に入射することによりエバネッセント波を発生させ、試料溶液中に含まれる物質と光導波路層上に形成された機能膜に含まれる分子との反応に起因するエバネッセント波の変化量を、出射側グレーティングから放出される光を検出することにより、試料溶液中に含まれる物質の濃度を測定する方法が挙げられる。
【０００３】
このような光導波現象を利用して試料溶液中に含まれる物質の濃度を測定する装置は、光導波路型センサと呼ばれている。光導波路型センサは、例えば、ガラスまたは石英からなる透明な基板と、その基板の主面のその基板内にレーザ光を入出射するための一対のグレーティングと、グレーティングを含む基板の主面の基板より高屈折率の高分子樹脂からなる光導波路層と、光導波路層上に形成された機能膜と、で構成される。このような光導波路型センサでは、基板側から基板を介して光導波路へレーザ光を入射させる。したがって、基板はレーザ光を透過する透明な基板であることが要求され、基板として用いる材料に制約があった。また、基板を通して光導波路へレーザ光が入射されるため、複数の材料の屈折率を考慮した光学設計を行う必要があり、基板を透過することにより光損失が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２０８３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の光導波路型センサでは、透明な基板を通して光導波路へレーザ光が入射されるため、複数の材料の屈折率を考慮した光学設計を行う必要があり光学設計が複雑となり、基板を透過することによる光損失が生じる、という問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明の一態様によれば、光導波路層と、前記光導波路層へ光を入射させ、前記光導波路層外に前記光を出射させるよう、前記光導波路層の界面のうち一方の面の両端に配置された１対の光学素子と、前記光導波路層上の所定の領域に形成された機能膜と、前記光導波路層の前記光の入射面上の、少なくとも前記光学素子が配置された平面領域を含む平面領域に形成された被覆層と、を備える光導波路型センサチップが提供される。この光導波路型センサチップは、入射側の前記光学素子に入射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第１の貫通孔と、出射側の前記光学素子から出射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第２の貫通孔と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１の実施の形態にかかる光導波路型センサの構成例を示す図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態の光導波路型センサチップの上面および断面の概略を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。
【図４】図４は、第２の実施の形態にかかる光導波路型センサの構成例を示す図である。
【図５】図５は、第２の実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。
【図６】図６は、第３の実施の形態にかかる光導波路型センサの構成例を示す図である。
【図７】図７は、第３の実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。
【図８】図８は、第４の実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。
【図９】図９は、第４の実施の形態の光導波路型センサチップの別の製造方法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態にかかる光導波路型センサの構成例を示す図である。本実施の形態の光導波路型センサは、光導波路型センサチップと、光源７と、受光素子８と、を備える。また、光導波路型センサチップは、光導波路層１と、反射膜２と、基板３と、機能膜４と、グレーティング５ａ，５ｂと、保護層（表面保護層）６と、を備える。
【０００９】
光源７は、光導波路型センサチップに対して、保護層６側から光導波路層１へ光を入射する。また、受光素子８は、光導波路型センサチップの保護層６側から射出された光を検出する。光源７としては、例えばレーザーダイオード等を用いることができるが、これに限らず単色光を射出できればどのような光源を用いてもよい。受光素子８としては、例えばフォトダイオードを用いることができるが、これに限らずどのような素子を用いてもよい。
【００１０】
図２は、本実施の形態の光導波路型センサチップの上面および断面の概略を示す図である。図２に示すように、反射膜２は、基板３と光導波路層１との間に形成されている。また、グレーティング５ａは、反射膜２上（基板３に接する面と反対側）の一方の端部（光導波路層１の長手方向の端部）の、光源７からの光が入射される領域を含む領域に形成され、グレーティング５ｂは、反射膜２上の他方の端部の、光導波路層１から光が射出される領域を含む領域に形成されている。グレーティング５ａ，５ｂは、光導波路層１に光を入射させ、光導波路層１から光を射出させるための光学素子であり、グレーティング５ａ，５ｂの代わりにプリズム等の光学素子を用いてもよい。
【００１１】
機能膜４は、光導波路層１上の所定の領域に形成されている。保護層６は、機能膜４が形成されている領域以外の光導波路層１上の領域に形成され、貫通孔９および貫通孔１０を有している。
【００１２】
基板３は、機能膜４が形成されていない面（裏面）で光導波路層１に接し、裏面から光導波路層１を機械的な損傷等から保護する裏面保護層として機能する。
【００１３】
貫通孔９は、光源７から入射される光が保護層６で遮られることなく光導波路層１へ入射するように形成されている。また、貫通孔９の平面位置（光導波路型センサチップの厚さ方向に垂直な面内の位置）が、入射側のグレーティング５ａが形成される平面位置内となるよう形成されている。貫通孔１０は、光導波路層１から受光素子８へ出射する光が保護層６で遮られることないように形成されている。また、貫通孔１０の平面位置は、出射側のグレーティング５ｂが形成される平面位置内となるよう形成されている。
【００１４】
また、図２では、構成を模式的に示した図であり、各構成要素の大きさ等を示していない。ここでは、一例として、光導波路型センサチップのサイズとして、長手方向が１６ｍｍ程度、短手方向が６．５ｍｍ程度を想定している。また、基板３の厚さは、７００μｍ程度、光導波路層１の厚さは３０μｍ程度、保護層６の厚さは３μｍ程度を想定している。また、機能膜４のサイズは、光導波路型センサチップの長手方向が７ｍｍ程度、光導波路型センサチップの短手方向が４ｍｍ程度を想定している。グレーティング５ａ，５ｂの各領域の大きさは、光導波路型センサチップの長手方向が２〜３ｍｍ、光導波路型センサチップの短手方向が４．５ｍｍ程度を想定している。なお、これらのサイズは一例であり、各構成要素のサイズに制約はない。
【００１５】
貫通孔９，１０の大きさは、光源７から入射する光束の大きさに依存するが、例えば、直径１〜５ｍｍ程度とする。なお、図２では、貫通孔９，１０の形状を円柱状としたが、これに限らず、四角柱やテーパー状などのほかの形状であってもよい。
【００１６】
本実施の形態の光導波路型センサでは、光源７から射出される光を、貫通孔９および入射側のグレーティング５ａを通じて光導波路層１に入射することによりエバネッセント波を発生させる。そして、機能膜４上に導入された試料溶液等と、光導波路層１上に形成された機能膜４に含まれる分子等との反応に起因するエバネッセント波の変化量を、出射側のグレーティング５ｂおよび貫通孔１０を経由して放出される光を受光素子８により検出する。受光素子８が検出する光の変化量は、試料溶液等に含まれる検出対象の物質（機能膜４に含まれる分子等との反応する物質）の濃度に依存するため、受光素子８が検出する光の変化量を求めることにより試料溶液等に含まれる検出対象の物質の濃度を検出することができる。
【００１７】
従来の光導波路型センサでは、例えば、基板上に光導波路層を形成し、基板側から光導波路層へ光を入射し、光導波路層から基板側に射出された光を検出する。したがって、基板は光導波路層へ入射される光を透過する材質である必要があった。また、この場合、空気と基板界面と、基板と光導波路層界面と、の二つの界面現象が生じる、という問題もある。また、基板に透明な材質を使い、これらを経由して光導波路層へ光を入射させる場合、複数の材料屈折率を考慮した光学設計を行う必要があり、光学設計が複雑になるという問題がある。さらに、基板を通過することにより、光損失が生じるという問題もある。
【００１８】
また、光導波路層上に形成された保護層側から光を入射させることも考えられるが、この場合も、透明な基板を用いる場合と同様に、複数の材料屈折率を考慮した光学設計を行う必要があり、光学設計が複雑になるという問題がある。また、基板を通過することにより、光損失が生じるという問題もある。
【００１９】
これに対し、本実施の形態の光導波路型センサは、保護層６に形成された貫通孔９を経由して光導波路層１へ光源７からの光を入射させ、貫通孔１０を経由して光導波路層１から光を射出しているので、基板３または保護層６に、透明な材質を用いる必要がない。例えば基板３としてシリコン基板を用いれば、半導体チップの製造技術を光導波路型センサチップの製造に適用することができる。また、光源７から光導波路層１へ直接光を入射させることができるため、複数の材料屈折率を考慮した光学設計を行う必要がなく、また光損失が生じない。
【００２０】
さらに、本実施の形態の光導波路型センサは、反射膜２を備えているため、基板３に対する光学的な制約がなくなり、基板３の材質の選択肢をさらに広げることができる。なお、本実施の形態では、反射膜２を備えるようにしたが、基板３を金属等の材質として表面とを鏡面加工することにより、反射膜２を備えないようにしてもよい。この場合、基板３の材質の選択肢は反射膜２を備える場合に比べ低減するが、貫通孔９を経由して光導波路層１へ光源７からの光を入射させ、貫通孔１０を経由して光を射出することにより、複数の材料屈折率を考慮した光学設計を行う必要がなく、また光損失が生じないという効果を得ることができる。
【００２１】
光導波路層１としては、光導波路として通常用いられるどのような材質を用いてもよいが、例えば、ガラスや有機膜等を用いることができる。
【００２２】
反射膜２としては、鏡面反射率の高い材質であればどのような材質を用いてもよいが、例えば、鏡面加工されたアルミや銀の金属薄膜や樹脂反射膜を用いることができる。
【００２３】
保護層６としては、光導波路層１より屈折率が低く、かつ試料溶液等と反応しない材料が用いられる。保護層６は、機能膜４が形成されている領域以外で光導波路層１と試料溶液が接触することを防ぐとともに、光導波路型センサチップの製造過程で機能膜４が所定の領域以外に形成されることを防ぐ。保護層６は、どのような方法で形成してもよいが、例えば基板３上に光導波路層１を形成した後に、光導波路層１上の、機能膜４および貫通孔９，１０が形成される領域を除いた部分にパターン転写可能な印刷法やインプリント法等を用いて形成する方法が適している。保護層６の材質としては、撥水性の高い材質を用いることが望ましく、例えばフッ素樹脂等を用いることができる。
【００２４】
基板３としては、反射膜２を用いる場合、透明度等の光学的性能に対する要求が無いため、どのような材質を用いてもよい。例えばシリコン基板を用いると半導体チップの製造工程を適用することができるという利点がある。耐熱性を要求される場合には、ガラスを用いることもできるが、本実施の形態では、透明度が要求されないため、透明度の低い（グレードの低い）ガラス等を用いることができる。また、プラスチック等を用いてもよい。
【００２５】
グレーティング５ａ，５ｂとしては、光導波路層１より屈折率が高い材質であればどのような材質を用いてもよいが、例えば二酸化チタンを用いることができる。
【００２６】
機能膜４は、膜形成高分子化合物等で膜体が構成され、この膜体内に本実施の形態の光導波路型センサの検出対象の物質と反応する酵素や色素などが保持される。例えば、検出対象をグルコースとする場合には、機能膜４は、グルコースの酸化酵素または還元酵素と、この酵素により生成物と反応して発色剤を発色させる物質を発生する試薬と、発色剤と、膜形成高分子化合物と、で構成される。また、必要に応じて透水性促進剤を備える。グルコースの酸化酵素として、例えばグルコースオキシターゼを用いる場合には、発色剤を発色させる物質を発生する試薬としてペルオキシターゼを用い、発色剤として３，３´，５，５´−テトラメチルベンジジン等を用いることができる。また、膜形成高分子化合物としては、例えばセルロース系高分子化合物を用いることができる。
【００２７】
つぎに、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法について説明する。なお、以下に説明する製造方法は、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例であり、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法はこれに限定されない。
【００２８】
図３は、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。ここでは、一例として、基板３がシリコン基板であり、光導波路層１と保護層６が有機薄膜であり、反射膜２が金属薄膜である場合について説明する。
【００２９】
まず、図３（ａ）に示すように基板３を準備し、図３（ｂ）に示すように基板３の片面に金属薄膜である反射膜２を形成する。金属薄膜形成方法としては、めっきやスパッタ、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などが挙げられる。そして、形成した金属薄膜を研磨し鏡面とすることで反射膜２とする。
【００３０】
つぎに、図３（ｃ）に示すように、反射膜２上に、グレーティング材料の薄膜５をスパッタやＣＶＤ法等により形成した後、図３（ｄ）に示すようにレジストパターンにあわせて薄膜５をエッチングしパターンを形成することにより、入射側と射出側の２箇所にグレーティング５ａ，５ｂをそれぞれ形成する。薄膜５のエッチングはどのような方法で行なってもよいが、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用いることができる。
【００３１】
つぎに、図３（ｅ）に示すように、反射膜２およびグレーティング５ａ，５ｂ上に、光導波路層１を形成する。例えば、液状の光導波路層１の材料をスピンコートにより塗布し硬化させて形成できる。光導波路層１の材料は保護層６の屈折率よりも高い屈折率を有する材料であればよく、熱可塑性樹脂でもよく、硬化性樹脂でもよい。
【００３２】
そして、図３（ｆ）に示すように、光導波路層１に保護層６を形成する。この際、保護層６は、機能膜４が形成される所定の領域と、貫通孔９，１０と、を除いた領域に、印刷法やインプリント法等により形成する。
【００３３】
そして、図３（ｇ）に示すように、所定の領域（光導波路層１の保護層６が形成されていない領域のうち、貫通孔９，１０を除いた領域）に、機能膜４を形成する。機能膜４の形成方法としては、酵素や色素などの試薬を含ませた膜形成高分子化合物を溶媒に拡散させ、開口部にディスペンスした後に溶媒を揮発させる方法などがその方法として挙げられる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、光源７および受光素子８をそれぞれ１つとした例について説明したが、光源７および受光素子８が、２つ以上の場合には、それぞれの入射する光束を通過させるための貫通孔、それぞれの出射する光束を通過させるための貫通孔、を設けるようにすればよい。例えば、光源７が２つの場合、２つの入射位置が近い場合には、１つの貫通孔で入射する２つの光束を通過させるようにしてもよいし、光束ごとに貫通孔を設けてもよい。出射側も同様である。
【００３５】
なお、ここでは、光導波路層１の材料に有機材料を用いた場合について説明したが、光導波路層１にシリコン酸化物等を用いてもよい。光導波路層１にシリコン酸化物を用いる場合は、反射膜２上にシリコン酸化膜を形成すればよい。
【００３６】
また、本実施の形態では、保護層６を１層としたが、保護層６が多層で構成されていてもよく、その場合にはそれらの多層の全てを貫通するように貫通孔９，１０を設ける。また、保護層６以外の構成層が保護層６の上部または下部（光導波路層１との間）に形成されていてもよい。その場合、光導波路型センサチップの上部（光の入射側）の表面から光導波路層１の表面に達するまでの全層を１つの被覆層と考え、被覆層を貫通する貫通孔９，１０を設けることにより、光導波路層１に入射する光を通過させるようにすればよい。言い換えると、光導波路層１へ光が入射する面（光が出射する面）と光導波路型センサチップの表面（光の入射側の表面）との間に、少なくともグレーティング５ａ，５ｂが形成される平面領域を含む領域に形成された被覆層が存在する場合に、光導波路層１（グレーティング５ａ）へ入射する光または光導波路層１から出射する光を通過させるよう、被覆層に貫通孔９，１０を設ければよい。
【００３７】
このように、本実施の形態では、保護層６に貫通孔９，１０を設け、貫通孔９を経由して光導波路層１に光源７からの光を入射させ、貫通孔１０を経由して光導波路層１から出射する光を受光素子８に入射させるようにした。そのため、基板３の材料に広い選択肢を与えることができる。また、複数の材料屈折率を考慮した光学設計を行う必要がなく、また光損失が生じない。また、基板３にシリコン基板を用いると、多くの工程で半導体製造プロセスを利用することができるため、高い精度と生産性で光導波路型センサチップを製造することができる。また、反射膜２を備えると、さらに基板３の材料に広い選択肢を与えることができる。さらに、基板３の材料によっては、基板３が遮光膜として機能する。
【００３８】
（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態にかかる光導波路型センサの構成例を示す図である。本実施の形態の光導波路型センサは、光導波路型センサチップと、光源７と、受光素子８と、を備える。本実施の形態の光導波路型センサチップは、第１の実施の形態と同様に、光導波路層１と、反射膜２と、基板３と、機能膜４と、グレーティング５ａ，５ｂと、保護層６と、を備えるが、第１の実施の形態と異なり、保護層６には貫通孔９，１０が形成されておらず、基板３および反射膜２に貫通孔１１，１２が形成されている。また、本実施の形態では、光源７から入射される光は貫通孔１１を経由して光導波路層１に入射し、光導波路層１が出射する光は、貫通孔１２を経由して受光素子８へ入射する。第１の実施の形態と同様の機能を有する構成要素は、第１の実施の形態と同一の符号を付して重複する説明を省略する。以下、第１の実施の形態と異なる点を説明する。
【００３９】
第１の実施の形態では、保護層６に貫通孔９，１０を設けたが、本実施の形態では、基板３および反射膜２に貫通孔１１，１２を設ける。そして、光源７から入射される光は、基板３側から貫通孔１１を経由して光導波路層１に入射させ、光導波路層１が出射する光は、貫通孔１２を経由して基板３側から出射させる。したがって、機能膜４と貫通孔１１，１２が、同一面内になく光導波路型センサチップの反対面に配置されるため、機能膜４に試料を添加する際に、貫通孔１１，１２を経由して試料が侵入することによる、光導波路層１の汚染を防ぐことができる。
【００４０】
貫通孔１１は、光源７から入射される光が基板３および反射膜２で遮られることなく光導波路層１へ入射するように形成されている。また、貫通孔１１の平面位置（光導波路型センサチップの厚さ方向に垂直な面内の位置）が、入射側のグレーティング５ａが形成される平面位置内となるよう形成されている。貫通孔１２は、光導波路層１から受光素子８へ出射する光が基板３および反射膜２で遮られることのないように形成されている。また、貫通孔１２の平面位置は、出射側のグレーティング５ｂが形成される平面位置内となるよう形成されている。
【００４１】
貫通孔１１，１２の大きさは、光源７から入射する光束の大きさに依存するが、例えば、直径１〜２ｍｍ程度とする。なお、図２では、貫通孔９，１０の形状を円柱状としたが、これに限らず、四角柱やテーパー状などのほかの形状であってもよい。
【００４２】
本実施の形態の光導波路型センサの構成、機能および各構成要素の材質は、貫通孔の位置が異なること、および入射および出射する光の方向が異なること、以外は第１の実施の形態の光導波路型センサの構成および機能と同様である。ただし、貫通孔１１，１２を基板３に設けることから、基板３の厚さを第１の実施の形態より薄くすることが望ましい（例えば、１００〜３００μｍ程度）。
【００４３】
つぎに、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法について説明する。なお、以下に説明する製造方法は、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例であり、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法はこれに限定されない。
【００４４】
図５は、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。ここでは、一例として、基板３がシリコン基板であり、光導波路層１と保護層６が有機薄膜であり、反射膜２が金属薄膜である場合について説明する。
【００４５】
図５（ａ）〜図５（ｄ）（光導波路層１を形成するまで）の工程は、第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。光導波路層１の形成の後、図５（ｅ）に示すように、光導波路層１に保護層６を形成する。この際、保護層６は、機能膜４が形成される所定の領域を除いた領域に、印刷法やインプリント法等により形成する。
【００４６】
つぎに、図５（ｆ）に示すように、基板３および反射膜２に貫通孔１１，１２を形成する。貫通孔１１，１２の形成は、どのような方法で行ってもよいが、例えば、レジストでパターニングを行い、ウエットエッチングまたはＲＩＥを用いて行えば、精度よく加工することができる。
【００４７】
そして、図５（ｇ）に示すように、所定の領域に、機能膜４を形成する。機能膜４の形成方法としては、酵素や色素などの試薬を含ませた膜形成高分子化合物を溶媒に拡散させ、開口部にディスペンスした後に溶媒を揮発させる方法などがその方法として挙げられる。
【００４８】
なお、第１の実施の形態と同様に、基板３の材質を金属等とすることにより、反射膜２を備えないようにしてもよい。また、貫通孔１１，１２を、透明な材質の部材で埋めるようにしてもよい。
【００４９】
また、本実施の形態では、基板３および反射膜２を貫通する貫通孔１１，１２を設けるようにしたが、これは言い換えると、第１の実施の形態で述べた、光導波路層１へ光が入射する面（光が出射する面）と光導波路型センサチップの表面（光の入射側の表面）との間に、少なくともグレーティング５ａ，５ｂが形成される平面領域を含む領域に形成された被覆層が基板３および反射膜２である場合に相当する。
【００５０】
なお、第１の実施の形態および本実施の形態では、光導波路層１へ光が入射する面と
光導波路層１から光が出射する面が同一である場合について説明したが、入射面と出射面が異なっていてよい。その場合は、それぞれに対応する面側の被覆層に貫通孔をそれぞれ形成する。例えば、保護層６側から光が入射し、基板３側から光が出射する場合には、保護層６に第１の実施の形態と同様に貫通孔９を設け、基板３および反射膜２に貫通孔１２を設ければよい。
【００５１】
このように、本実施の形態では、基板３および反射膜２に貫通孔１１，１２を設け、貫通孔１１を経由して光導波路層１に光源７からの光を入射させ、貫通孔１２を経由して光導波路層１から出射する光を受光素子８に入射させるようにした。そのため、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、機能膜４への試料添加時の光導波路層１の汚染を防ぐことができる。
【００５２】
（第３の実施の形態）
図６は、第３の実施の形態にかかる光導波路型センサの構成例を示す図である。本実施の形態の光導波路型センサは、光導波路型センサチップと、光源７と、受光素子８と、を備える。本実施の形態の光導波路型センサチップは、光導波路層１と、基板１３と、機能膜４と、グレーティング５ａ，５ｂと、保護層６と、を備える。また、第１の実施の形態と同様の保護層６には貫通孔９，１０が形成されている。第１の実施の形態と同様の機能を有する構成要素は、第１の実施の形態と同一の符号を付して重複する説明を省略する。以下、第１の実施の形態と異なる点を説明する。
【００５３】
本実施の形態では、基板１３として、樹脂のようなフレキシブルな材料（例えば、メタクリル樹脂，シクロオレフィンポリマー樹脂等）を用いる。そして、光導波路層１および保護層６についても、樹脂のようなフレキシブルな材料（例えば、透明フッ素樹脂，シリコーン樹脂、アクリル樹脂等）を用いれば、高い曲げ耐性をもつチップを得ることができる。図６の構成例では、反射膜２を備えない構成を示しているが、反射膜２としてフレキシブルな材料（例えば、アルミニウム蒸着膜等）を用いて、光導波路層１と基板１３の間に反射膜２を備えるようにしてもよい。
【００５４】
図７は、本実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。ここでは、一例として、基板１３、光導波路層１、保護層６がそれぞれフレキシブルな樹脂材料で構成され、反射膜２を備えない場合について説明する。ここでは、一例として、支持基板上でチップを形成後、基板から剥離を行う方法を説明する。
【００５５】
まず、図７（ａ）に示すように、支持基板１４を用意する。支持基板１４の材料はどのようなものでもよいが、例えば、ガラス、シリコン基板等を用いることができる。
【００５６】
つぎに、図７（ｂ）に示すように、支持基板１４上に基板１３を形成する。例えば、液状の基板１３の材料をスピンコートにより塗布し硬化させて形成することができる。硬貨方法は、どのような方法を用いてもよいが、例えば、ＵＶ（Ultraviolet）照射、ホットプレートによるベーク等を用いることができる。つぎに、図７（ｃ）に示すように、基板１３上にグレーティング５ａ，５ｂを形成する。グレーティング５ａ，５ｂの形成方法は、第１の実施の形態と同様の方法を用いることができる。
【００５７】
そして、図７（ｄ）に示すように、基板１３およびグレーティング５ａ，５ｂ上に、光導波路層１を形成する。第１の実施の形態と同様に、例えば、液状の光導波路層１の材料をスピンコートにより塗布し硬化させて形成できる。
【００５８】
以降の保護層６および貫通孔９，１０の形成処理、機能膜４の形成処理は（図７（ｅ），図７（ｆ）は、第１の実施の形態の図３（ｅ），図３（ｆ）に示した処理と同様である。機能膜４の形成後、図７（ｇ）に示すように、基板１３を支持基板１４から剥離する。
【００５９】
このように、本実施の形態では、基板１３、光導波路層１、保護層６がそれぞれフレキシブルな材料を用いるようにした。そのため、第１の実施の形態と同様の効果が得られるとともに、高い曲げ耐性をもつチップを得ることができ、さらにガラス基板で見られるような光導波路層の材料と基板との密着不良発生を回避することができる。
【００６０】
（第４の実施の形態）
図８は、第４の実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法の一例を示す図である。本実施の形態の光導波路型センサチップの構成は、第１の実施の形態の光導波路型センサチップの基板３の代わりに裏面保護層を備える以外は、第１の実施の形態の光導波路型センサチップと同様である。
【００６１】
本実施の形態では、光導波路層１としてガラス基板を用いることにより、第２の実施の形態の基板１３や第１の実施の形態の基板３を不要とする。その代わりに、光導波路層１の裏面には、光導波路層１として用いるガラス基板を汚染等から保護する裏面保護層を、例えばスピンコートや印刷法等により形成する。
【００６２】
第４の実施の形態の光導波路型センサチップの製造方法を、図８を用いて説明する。まず、図８（ａ）に示すように、光導波路層１として機能するガラス基板を用意する。そして、図８（ｂ）に示すように、光導波路層１をエッチングしパターンを形成することにより、溝１５を形成する。溝１５は、後の工程でグレーティングの材料が埋め込まれることにより、グレーティング５ａ，５ｂを形成するため、グレーティング５ａ，５ｂの形状に基づいて溝１５を形成しておく。光導波路層１のエッチングはどのような方法で行なってもよいが、例えば、ウエットエッチング、ＲＩＥ等を用いることができる。
【００６３】
次に、図８（ｃ）に示すように、溝１５上を含めた光導波路層１上に、グレーティング材料の薄膜１６をスパッタ、めっき、ＣＶＤ法等により形成する。薄膜１６の材料は第１の実施の形態の薄膜５と同様である。
【００６４】
そして、図８（ｄ）に示すように、光導波路層１上の平坦部（溝１５上以外）に形成された薄膜１６を除去することにより、グレーティング５ａ，５ｂを形成する。このときの除去方法としては、どのような方法を用いてもよいが、例えば研磨を用いることができる。
【００６５】
次に、図８（ｅ）に示すように、光導波路層１の裏面（グレーティング５ａ，５ｂが形成された面と反対側の面）に裏面保護層１７を形成する。裏面保護層１７の形成方法は、どのような方法を用いてもよいが、例えば、スピンコートや印刷法などが挙げられる。また、裏面保護層１７の材質としては、どのような材質を用いてもよいが、例えば、フッ素樹脂等を用いることができる。
【００６６】
そして、図８（ｆ）に示すように、光導波路型センサチップを反転させ、第１の実施の形態の図３（ｅ）と同様に、光導波路層１上の機能膜４が形成される所定の領域と、貫通孔９，１０と、を除いた領域に、保護層６を形成した後、図８（ｇ）に示すように、第１の実施の形態の図３（ｆ）と同様に機能膜４を形成する。なお、ここでは、反射膜２を備えない場合を説明したが、裏面保護層１７の形成の前に反射膜２を形成してもよい。
【００６７】
このように光導波路層１としてガラス基板を用いた場合、光導波路層１の厚さは、第１の実施の形態等の場合に比べ厚くなる（例えば、１００μｍ程度となる）。光導波路層１もより薄くする場合には、薄化したガラス基板を支持基板に固定してから、上記の図８（ａ）〜図８（ｅ）を行い、支持基板から剥離した後に、図８（ｆ）以降の工程を行なうようにしてもよい。
【００６８】
図９は、第４の実施の形態の光導波路型センサチップの別の製造方法の一例を示す図である。図８では、光導波路層１上に溝１５を形成して、グレーティング５ａ，５ｂを形成する例を説明したが、図９に示すように、溝１５を形成せずにグレーティング５ａ，５ｂを形成してもよい。
【００６９】
まず、図９（ａ）に示すように、光導波路層１として機能するガラス基板を用意する。そして、図９（ｂ）に示すように、光導波路層１上に、グレーティング材料の薄膜１６をスパッタ、めっき、ＣＶＤ法等により形成する。その後、図９（ｃ）に示すように、薄膜１６をエッチングしパターンを形成することにより、入射側と射出側の２箇所にグレーティング５ａ，５ｂをそれぞれ形成する。薄膜１６のエッチングはどのような方法で行なってもよいが、例えば、ＲＩＥを用いることができる。
【００７０】
そして、図９（ｄ）に示すように、グレーティング５ａ，５ｂを上側から研磨した後、図９（ｅ）に示すように、光導波路層１上の機能膜４が形成される所定の領域と、貫通孔９，１０と、を除いた領域に、保護層６を形成する。
【００７１】
そして、図９（ｆ）に示すように、裏面側に裏面保護層１７を形成した後、図９（ｇ）に示すように、機能膜４を形成する。
【００７２】
このように、本実施の形態では、ガラス基板を光導波路層１として用いることにより、別途基板を備えない光導波路型センサチップにおいて、貫通孔９，１０を設けることにより、貫通孔９を経由して光導波路層１に光源７からの光を入射させ、貫通孔１０を経由して光導波路層１から出射する光を受光素子８に入射させるようにした。そのため、複数の材料屈折率を考慮した光学設計を行う必要がなく、また光損失が生じない。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７４】
１ 光導波路層、２ 反射膜、３，１３ 基板、４ 機能膜、５ａ，５ｂ グレーティング、６ 保護層、７ 光源、８ 受光素子、９，１０，１１，１２ 貫通孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路層と、
前記光導波路層へ光を入射させ、前記光導波路層外に前記光を出射させるよう、前記光導波路層の界面のうち一方の面の両端に配置された１対の光学素子と、
前記光導波路層上の所定の領域に形成された機能膜と、
前記光導波路層の前記光の入射面上の、少なくとも前記光学素子が配置された平面領域を含む平面領域に形成された被覆層と、
入射側の前記光学素子に入射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第１の貫通孔と、
出射側の前記光学素子から出射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第２の貫通孔と、
を備えることを特徴とする光導波路型センサチップ。
【請求項２】
前記被覆層を、前記光導波路層の前記機能膜が形成された面上の、前記所定の領域以外の領域に形成された表面保護層とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路型センサチップ。
【請求項３】
前記被覆層を、前記光導波路層の前記機能膜が形成された面の裏面上に形成された基板とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路型センサチップ。
【請求項４】
前記光導波路層の前記機能膜が形成された面の裏面上に形成された反射膜と、
前記反射膜上に形成された不透明基板と、
をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の光導波路型センサチップ。
【請求項５】
光源と、
受光素子と、
光導波路層と、
前記光導波路層へ光を入射させ、前記光導波路層外に前記光を出射させるよう、前記光導波路層の界面のうち一方の面の両端に配置された１対の光学素子と、
前記光導波路層上の所定の領域に形成された機能膜と、
前記光導波路層の前記光の入射面上の、少なくとも前記光学素子が配置された平面領域を含む平面領域に形成された被覆層と、
入射側の前記光学素子に入射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第１の貫通孔と、
出射側の前記光学素子から出射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第２の貫通孔と、
を備えることを特徴とする光導波路型センサ。
【請求項１】
光導波路層と、
前記光導波路層へ光を入射させ、前記光導波路層外に前記光を出射させるよう、前記光導波路層の界面のうち一方の面の両端に配置された１対の光学素子と、
前記光導波路層上の所定の領域に形成された機能膜と、
前記光導波路層の前記光の入射面上の、少なくとも前記光学素子が配置された平面領域を含む平面領域に形成された被覆層と、
入射側の前記光学素子に入射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第１の貫通孔と、
出射側の前記光学素子から出射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第２の貫通孔と、
を備えることを特徴とする光導波路型センサチップ。
【請求項２】
前記被覆層を、前記光導波路層の前記機能膜が形成された面上の、前記所定の領域以外の領域に形成された表面保護層とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路型センサチップ。
【請求項３】
前記被覆層を、前記光導波路層の前記機能膜が形成された面の裏面上に形成された基板とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路型センサチップ。
【請求項４】
前記光導波路層の前記機能膜が形成された面の裏面上に形成された反射膜と、
前記反射膜上に形成された不透明基板と、
をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の光導波路型センサチップ。
【請求項５】
光源と、
受光素子と、
光導波路層と、
前記光導波路層へ光を入射させ、前記光導波路層外に前記光を出射させるよう、前記光導波路層の界面のうち一方の面の両端に配置された１対の光学素子と、
前記光導波路層上の所定の領域に形成された機能膜と、
前記光導波路層の前記光の入射面上の、少なくとも前記光学素子が配置された平面領域を含む平面領域に形成された被覆層と、
入射側の前記光学素子に入射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第１の貫通孔と、
出射側の前記光学素子から出射する前記光を通過させるように、前記被覆層に形成された第２の貫通孔と、
を備えることを特徴とする光導波路型センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２１９３６（Ｐ２０１２−２１９３６Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６１６３８（Ｐ２０１０−１６１６３８）
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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